KR100541966B1 - Millimeter wave band amplifying apparatus and matching circuit - Google Patents
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Abstract
본 발명은 밀리미터파 대역 증폭 장치 및 정합 회로에 관한 것이다. 특히, 마이크로스트립 라인과 개방 스터브를 이용하여 정합 회로를 구성하고 더불어 각 단의 입력 정합 회로에 캐패시터를 이용하여 원하는 동작 주파수 대역에서만 이득성분을 갖고 원하지 않는 주파수 대역에서의 이득 성분을 감쇄 시킬 수 있는 밀리미터파 대역 증폭 장치 및 이에 사용되는 정합 회로에 관한 것이다. The present invention relates to a millimeter wave band amplifier and a matching circuit. In particular, a matching circuit is constructed using a microstrip line and an open stub, and capacitors are used in the input matching circuits of each stage to have gain components in a desired operating frequency band and attenuate gain components in an unwanted frequency band. A millimeter wave band amplification device and a matching circuit used therein.
증폭기(amplifier), 밀리미터파(millimeter wave), 정합 회로(matching circiut), 캐패시터(capacitor).Amplifiers, millimeter waves, matching circiuts, and capacitors.
Description
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 의한 밀리미터파 대역 증폭 장치의 회로도이다. 1 is a circuit diagram of a millimeter wave band amplifying apparatus according to a first embodiment of the present invention.
도 2는 상기 도 1에 표현된 증폭 장치의 이득 및 입출력 특성을 나타내는 도면이다. FIG. 2 is a diagram illustrating gain and input / output characteristics of the amplifier shown in FIG. 1.
본 발명은 밀리미터파 대역 증폭 장치 및 정합 회로에 관한 것이다. 특히, 마이크로스트립 라인(micro strip line)과 개방 스터브(open stub)를 이용하여 정합 회로를 구성하고 더불어 각 단의 입력 정합 회로에 캐패시터를 이용하여 원하는 동작 주파수 대역에서만 이득성분을 갖고 원하지 않는 주파수 대역에서의 이득 성분을 감쇄 시킬 수 있는 밀리미터파 대역 증폭 장치 및 이에 사용되는 정합 회로에 관한 것이다. The present invention relates to a millimeter wave band amplifier and a matching circuit. In particular, a matching circuit is constructed by using a micro strip line and an open stub, and a capacitor is used in an input matching circuit of each stage to have a gain component only in a desired operating frequency band and an unwanted frequency band. The present invention relates to a millimeter wave band amplification device capable of attenuating the gain component in the circuit and a matching circuit used therein.
종래기술에 의한 밀리미터파 대역 증폭 장치는 소자의 특성에 의해서 저주파수 대역에서 이득이 높게 나타나고 또한 모델링의 한계로 인해서 저주파수 대역에서의 발진이 언제나 발생할 가능성을 내포하고 있다. 또한, 종래기술에 의한 증폭 장치에서는 분포된 요소(distributed element)인 마이크로스트립 라인과 개방 스터브만을 이용하여 이득 성분과 입출력 반사 특성에 대해서 정합회로를 구성하였으나 이는 동작 주파수 대역 이외의 이득 성분을 감쇄시키고 우수한 입출력 정합 특성을 얻기 위해서 설계자에게 많은 시간적인 노력을 요구하게 된다는 문제점이 있다.Conventional millimeter wave band amplification apparatus has a high gain in the low frequency band due to the characteristics of the device, and also implies that oscillation in the low frequency band always occurs due to modeling limitations. In addition, in the conventional amplification apparatus, a matching circuit is formed for gain components and input / output reflection characteristics using only microstrip lines and open stubs, which are distributed elements, but this attenuates gain components outside the operating frequency band. There is a problem that requires a lot of time for the designer to obtain excellent input and output matching characteristics.
따라서, 본 발명은 상기 언급한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 마이크로스트립 라인과 개방 스터브를 이용하여 정합회로를 구성하고 더불어 각 단의 입력 정합 회로에 캐패시터를 이용하여 원하는 동작 주파수 대역에서만 이득성분을 갖고 원하지 않는 주파수 대역에서의 이득 성분을 감쇄 시킬 수 있고, 보다 쉽게 입출력 정합 회로를 설계할 수 있도록 제안된 밀리미터파 대역 증폭 장치 및 이에 사용되는 정합회로를 제공하는 것을 목적으로 한다.
Accordingly, the present invention is to solve the above-mentioned problems of the prior art, and to configure a matching circuit using a microstrip line and an open stub, and to gain only in a desired operating frequency band by using a capacitor in the input matching circuit of each stage. It is an object of the present invention to provide a millimeter wave band amplification device and a matching circuit used therein, which are capable of attenuating gain components in an unwanted frequency band and easily designing an input / output matching circuit.
상술한 목적을 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본 발명의 제 1 측면은 직 렬 연결된 제 1 마이크로스트립 라인, 캐패시터, 제 2 마이크로스트립 라인 및 상기 캐패시터 및 상기 제 2 마이크로스트립 라인 사이에 접속된 개방 스터브를 포함하는 입력 정합 회로를 제공한다.As a technical means for achieving the above object, a first aspect of the present invention is an open stub connected between a first microstrip line, a capacitor, a second microstrip line connected in series and between the capacitor and the second microstrip line. It provides an input matching circuit comprising a.
본 발명의 제 2 측면은 제 1 증폭기의 출력단에 연결된 출력 정합 회로, 상기 출력 정합 회로에 직렬로 접속된 DC 차단 캐패시터, 및 상기 DC 차단 캐패시터 및 제 2 증폭기 입력단에 접속되며, 마이크로스트립 라인, 개방 스터브 및 캐패시터를 포함하는 입력 정합 회로를 포함하는 단간 정합 회로를 제공한다.A second aspect of the present invention provides an output matching circuit connected to an output terminal of a first amplifier, a DC blocking capacitor connected in series to the output matching circuit, and a DC stripping capacitor and a second amplifier input terminal, the microstrip line is open. An inter-stage matching circuit is provided that includes an input matching circuit including a stub and a capacitor.
본 발명의 제 3 측면은 증폭기, 상기 증폭기의 입력단에 연결되며, 마이크로스트립 라인, 개방 스터브 및 캐패시터를 포함하는 입력 정합 회로, 상기 증폭기의 출력단에 연결된 출력 정합 회로, 및 상기 증폭기의 출력 정합 회로에 직렬로 접속된 DC 차단 캐패시터를 포함하는 증폭 장치를 제공한다. A third aspect of the invention relates to an amplifier, an input matching circuit coupled to an input of the amplifier and including a microstrip line, an open stub and a capacitor, an output matching circuit coupled to an output of the amplifier, and an output matching circuit of the amplifier. An amplifying device including a DC blocking capacitor connected in series is provided.
본 발명의 제 4 측면은 제 1 내지 4 증폭기, 상기 제 1 내지 2 증폭기에 각각 병렬 연결된 제 1 내지 2 부궤환 회로, 상기 제 1 내지 4 증폭기의 입력단에 각각 접속된 제 1 내지 4 입력 정합 회로, 상기 제 1 내지 4 증폭기의 출력단에 각각 접속된 제 1 내지 4 출력 정합 회로, 상기 제 1 내지 4 입력 정합 회로의 T-접합 마이크로스트립 라인에 각각 접속된 제 1 내지 4 게이트 바이어스 회로, 상기 제 1 내지 4 출력 정합 회로의 T-접합 마이크로스트립 라인에 각각 접속된 제 1 내지 4 드레인 바이어스 회로, 상기 제 1 입력 정합 회로에 접속된 제 1 DC 차단 캐패시터, 상기 제 1 출력 정합 회로 및 상기 제 2 입력 정합 회로에 접속된 제 2 DC 차단 캐패시터, 상기 제 2 출력 정합 회로 및 상기 제 3 입력 정합 회로에 접속된 제 3 DC 차단 캐패시터, 상기 제 3 출력 정합 회로 및 상기 제 4 입력 정합 회로에 접속된 제 4 DC 차단 캐패시터, 및 상기 제 4 출력 정합 회로에 접속된 제 4 DC 차단 캐패시터를 포함하되, 상기 제 1 내지 4 입력 정합 회로 중 적어도 하나는 제 1 측면에 의한 입력 정합 회로인 것을 특징으로 하는 증폭 장치를 제공한다. A fourth aspect of the present invention is a first to fourth amplifier, a first to a second negative feedback circuit connected in parallel to the first to a second amplifier, respectively, and a first to fourth input matching circuit respectively connected to the input terminal of the first to fourth amplifiers First to fourth output matching circuits respectively connected to output terminals of the first to fourth amplifiers, first to fourth gate bias circuits respectively connected to T-junction microstrip lines of the first to fourth input matching circuits, and the first to fourth output matching circuits. First to fourth drain bias circuits each connected to a T-junction microstrip line of a 1 to 4 output matching circuit, a first DC blocking capacitor connected to the first input matching circuit, the first output matching circuit and the second A second DC blocking capacitor connected to an input matching circuit, a third DC blocking capacitor connected to the second output matching circuit and the third input matching circuit, the third output matching circuit, and A fourth DC blocking capacitor connected to the fourth input matching circuit, and a fourth DC blocking capacitor connected to the fourth output matching circuit, wherein at least one of the first to fourth input matching circuits is disposed on the first side. An amplifier matching circuit is provided.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시예들은 여러가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예들로 인하여 한정되는 식으로 해석되어 져서는 안된다. 본 발명의 실시예들은 당업계에서 평균적 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다. Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, embodiments of the present invention may be modified in various forms, and the scope of the present invention should not be construed as being limited by the embodiments described below. Embodiments of the present invention are provided to more fully explain the present invention to those skilled in the art.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 의한 밀리미터파 대역 증폭 장치의 회로도이다. 도 1에서, 밀리미터파 대역 증폭 장치는 4개의 증폭기(224, 225, 226, 227), 2개의 부궤환회로(negative feedback circuit)(214, 215), 4개의 입력 정합 회로(216, 218, 220, 222), 4개의 출력 정합 회로(217, 219, 221, 223), 5개의 DC 차단 캐패시터(DC blocking capacitor)(209, 210, 211, 212, 213), 4개의 게이트 바이어스 회로(201, 203, 205, 207), 4개의 드레인 바이어스 회로(202, 204, 206, 208)로 구성된다.1 is a circuit diagram of a millimeter wave band amplifying apparatus according to a first embodiment of the present invention. In FIG. 1, the millimeter wave band amplification apparatus includes four
증폭기(224, 225, 226, 227)는 신호의 레벨을 증가시키는 전력소자로써, HEMT(High Electron Mobility Transistor)를 주로 사용한다. 특히, 도면부호 224 및 225의 증폭기는 광대역특성과 무조건적인 안정 조건을 만족하기 위해서 부궤환 회로(214, 215)와 결합되어 사용된다. The
부궤환 회로(214, 215)는 직렬 연결된 저항 및 캐패시터로 구성될 수 있다.The
입력 정합 회로(216, 218, 220, 222)는 도면부호 216의 입력 정합 회로처럼 2개의 마이크로스트립 라인과 1개의 개방 스터브만으로 구성될 수 있으며, 도면부호 218의 입력 정합 회로처럼 3개의 마이크로스트립 라인과 1개의 개방 스터브 및 1개의 캐패시터로 구성될 수 있으며, 도면부호 220 및 222의 입력 정합 회로처럼 2개의 마이크로스트립 라인과 1개의 개방 스터브 및 1개의 캐패시터로 구성될 수 있다. 마이크로스트립 라인중에서 특히 3단자를 가지는 마이크로스트립 라인을 T-접합(junction) 마이크로스트립 라인이라고도 한다. 입력 정합 회로(216, 218, 220, 222)는 입력된 신호를 무손실로 전송할 수 있도록 하며, 특히 도면부호 218, 220 및 222의 입력 정합 회로는 캐패시터를 이용하여 동작주파수 대역외에서는 이득성분을 갖지 않도록 설계한 것을 특징으로 하고 있다. 여기에서, 캐패시터는 77GHz 대역에서 동작하는 증폭기의 경우 수십 fF의 캐패시터를 사용함이 적당하다.
출력 정합 회로(217, 219, 221, 223)는 도면부호 217 및 223의 출력 정합 회로처럼 1개의 마이크로스트립 라인과 1개의 개방 스터브로 구성될 수 있으며, 도면부호 219 및 221의 출력 정합 회로처럼 1개의 마이크로스트립 라인으로 구성될 수 있다.The
DC 차단 캐패시터(209, 210, 211, 212, 213)는 캐패시터로 구성되며, DC를 차단하는 기능을 수행한다. The
게이트 바이어스 회로(201, 203, 205, 207) 및 드레인 바이어스 회로(202, 204, 206, 208)는 마이크로스트립 라인 및 캐패시터로 구성된다. The
단간 결합 회로(228, 229, 230)는 출력 정합 회로(217, 219, 221), DC 차단 캐패시터(210, 211, 212) 및 입력 정합 회로(218, 220, 222)로 구성된 회로를 의미한다. The
본 발명의 제 1 실시예에 의한 밀리미터파 대역 증폭 장치는 상기한 바와 같이 마이크로스트립 라인과 개방 스터브를 이용하여 정합회로를 구성하고 더불어 각 단의 입력 정합 회로에 캐패시터를 추가함으로써, 원하는 동작 주파수 대역에서만 이득성분을 갖고 원하지 않는 주파수 대역에서의 이득 성분을 감쇄 시킬 수 있고, 또한 보다 쉽게 입출력 정합회로를 설계할 수 있다. 즉, 마이크로스트립 라인과 개방 스터브만으로는 밀리미터파 대역 증폭 장치의 임피던스 정합을 맞추기가 용이하지 아니하므로, 상기한 바와 같이 캐패시터를 추가하면, 임피던스 정합을 맞추는 것이 용이하여 진다. The millimeter wave band amplifying apparatus according to the first embodiment of the present invention configures a matching circuit using a microstrip line and an open stub as described above, and adds a capacitor to the input matching circuit at each stage, thereby providing a desired operating frequency band. Only the gain component can reduce the gain component in the unwanted frequency band, and the I / O matching circuit can be designed more easily. That is, since the microstrip line and the open stub alone are not easy to match the impedance matching of the millimeter wave band amplification device, adding a capacitor as described above makes it easy to match the impedance matching.
도 2는 상기 도 1에 표현된 증폭 장치의 이득 및 입출력 특성을 나타내는 도면이다. FIG. 2 is a diagram illustrating gain and input / output characteristics of the amplifier shown in FIG. 1.
측정을 위하여, 신호 입출력쪽에 GSG 형(type)의 RF 프로브 패드(RF probe pad)를 이용하였고 DC 공급을 위해서 GPPPPPPG 형의 DC 프로브 패드를 적용하였다. 도 2에서, 이득 특성(S21)을 보면, 동작 주파수 대역 외(301)에서는 거의 이득 성분이 존재하지 않는 것을 알 수 있다. 또한, 동작주파수 대역에서 정합이 매우 우 수하게 된 것을 알 수 있다. 또한, 반사 손실(return loss)(S11, S22)을 보면, 동작주파수 대역에서 -15dB 이하의 값을 가지므로, 매우 특성이 우수함을 알 수 있다. 본 발명은 77GHz 대역의 동작 주파수를 가지므로 자동차 충돌 방지 레이타 시스템에 적용될 수 있다. For the measurement, a GSG type RF probe pad was used for signal input / output and a GPPPPPPG type DC probe pad was used for DC supply. Referring to the gain characteristic S21 in FIG. 2, it can be seen that there is almost no gain component outside the
본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 변형예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.Although the technical spirit of the present invention has been described in detail according to the above preferred embodiment, it should be noted that the above-described embodiment is for the purpose of description and not of limitation. In addition, it will be understood by those skilled in the art that various modifications are possible within the scope of the technical idea of the present invention.
본 발명에 의한 밀리미터파 대역 증폭 장치의 정합 회로는 종래기술에 의한 마이크로스트립라인과 개방 스터브 만을 이용한 증폭 장치에 비하여 저주파수대역에서의 원하지 않는 이득특성과 입력반사손실 특성을 우수하게 설계할 수 있으며, 설계 기간을 단축하는 효과를 얻을 수 있고, 또한 저주파 대역에서의 발진 가능성을 차단 할 수 있다는 장점이 있다. The matching circuit of the millimeter wave band amplifying apparatus according to the present invention can design the unwanted gain characteristics and the input reflection loss characteristics in the low frequency band better than the conventional amplification apparatus using only the microstripline and the open stub. The advantage is that the design period can be shortened and the possibility of oscillation in the low frequency band can be blocked.
따라서, 본 발명에 의한 밀리미터파 대역 증폭 장치의 정합 회로는 밀리미터파 대역의 초고주파 집적회로 증폭 장치 설계에 유용하게 응용할 수 있다는 장점이 있다. Therefore, the matching circuit of the millimeter wave band amplifying apparatus according to the present invention has an advantage that it can be usefully applied to the design of the ultrahigh frequency integrated circuit amplifying apparatus of the millimeter wave band.
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